JP3284227B2 - 軸受滑り要素およびそれの製造方法 - Google Patents

軸受滑り要素およびそれの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は請求項１の上位概念としている軸受滑り要素
並びに請求項９の上位概念としている方法に関する。
複合軸受は、殆どアルミニウム−錫−合金より成る減
摩メタル層を有する鋼鉄保護シェルを備えている。大抵
の場合には、アルミニウム−錫よりも非常に小さい硬度
を有する合金より成る大抵は電気メッキされた層が軸受
の滑り面に追加的に設けていることが必要である。即ち
アルミニウム−錫−減摩メタルは、ならし運転段階では
鋼鉄製軸に対して非常に限定的程度でしか適合させるこ
とができない。適合させる方法は、実質的に可塑成形し
そして滑り層を部分的に摩耗させることを本質としてい
る。アルミニウム−錫−合金は軸にかろうじて可塑的に
適合させることができ、軸受ライナーおよび軸が幾何学
的に不完全であることによって滑り面の混合摩擦（mixe
d friction）状態で存在する域に、滑り面が同時的に平
滑化しながら摩耗することがなく、堅い部分では粗面化
が生じ、不利な条件のもとではそれどころか溝が生じ
る。滑り面のこの様な変質によって均一な厚さの潤滑剤
膜の形成が悪影響を受けそして、ならし運転段階だけに
限られる局所的な混合摩擦が残り、結果的に比較的短い
運転時間の後で既に軸受に著しい損傷が生じ得る。
柔らかい層を設けることによって軸受の適合性を改善
するには、アルミニウム合金に電気化学的にメッキする
際の問題を解消しなければならない。
ドイツ特許出願公告第1,048,757号明細書からは、ア
ルミニウム合金と滑り面との良好な接合を達成するため
に、該アルミニウム合金と滑り層との間に銀の層を設け
ることも公知である。しかしながらドイツ特許出願公告
第1,048,757号明細書から公知の銀製結合層は、その下
に配置される薄い亜鉛層とアルミニウム材料製支持層に
対して十分な接合状態を維持するために、最小でも2.5
μｍの厚さを有していなければならないという欠点を有
している。更に銀より成る公知の結合層の電気メッキは
臨界的運転条件のもとで結合しており、ドイツ特許出願
公告第1,048,757号明細書から公知の銀製結合層は実地
においては満足されていない。
例えばドイツ特許出願公開第1,533,214号明細書から
は、銅より成る外側層と鉛および錫より成る内側層との
間にニッケル中間層を設けることが公知である。公知の
軸受の場合には接合基盤としてのニッケルは、小さいエ
ンジンの場合の様に、表面硬化したジャーナルを用いて
運転される場合に、久しい以前から実証されている。か
ゝる場合には、長時間の運転時間の後にも軟質外側層が
局所的にニッケル層にまで擦り減り、軸がニッケルと接
触する場合には、比較的に危険でない。これに対して、
軟質のジャーナルを持つ大きなジーゼル機関の場合には
全く相違する。
公知の軸受けの場合に電気的にメッキされたニッケル
は、表面硬化されていない軸の表面硬度よりも高い硬度
を有している。メッキ層の摩耗後にジャーナルがニッケ
ル結合基盤に達した場合には、冶金学的に非常に近似し
ている殆ど同じ硬さの二つの材料は互いに滑る。この不
利な滑り対はジャーナルを摩耗させ、この摩耗が進行し
て先ず粗面化が、次いで溝形成がはっきり認められる。
ニッケル層はそれの望ましくない高い硬度の他に、他
の点で非常に不利な挙動を示す。軸受の支配的な運転温
度では、数1000時間の運転期間の間に、ニッケルと錫と
の間に、純粋のニッケル層に比較してさらに非常に高い
硬度を持つ金属間相が生じる。滑り層の摩耗がゆっくり
と行われる場合には、その間に軸は数μｍに成長した金
属間相と接触し、この接触が軸の激しい摩耗を生じさせ
る。
アルミニウム合金の上にニッケル中間層なしに純粋な
錫の層を設けることも、アルミニウム合金と十分な接合
を達成できないので、不可能である。比較的に短い運転
時間で既に錫層の剥離が生じる。それ故に、化学的方法
によって錫層をアルミニウム合金の上に直接的に設ける
試みがされてきた。その際に、アルミニウム合金はアル
カリ洗浄剤および酸性洗浄剤によって前処理する。その
後に、錫浸漬溶液に浸漬することによって後で設けられ
る錫層のために、予めに活性物質によって表面を予備処
理する。しかしながら中間層なしに化学的に設けられる
この錫層は比較的に速やかに剥離する。100℃のオイル
インレット（oil inlet）温度で既に6700回／分の試験
回転数に達する以前に、この様に錫層を設けた軸受が脱
落することが、ロッド軸受接続テストスタンドの上で確
認することができる。
錫層を電気メッキで設ける前に浸漬浴での処理を予め
行う、同様な方法がヨーロッパ特許出願公開第234,738
号明細書から公知である。この場合には金属イオン、例
えばニッケル−または銅イオンを含有していないかまた
は錫塩結合した金属を含有し且つ必ずハロゲンイオンが
存在している酸性浸漬浴が使用されている。しかしなが
ら成分としてニッケルおよびハロゲンが存在する酸性浸
漬溶液はアルミニウムを表面腐食させる傾向がある。そ
れ故に析出する錫層は不安定であり、接着試験〔接着ス
トリップ試験（adhesive strip tests）〕では錫層が
アルミニウム層またはアルミニウム合金層の30％までが
部分的に剥離することが判っている。被覆した部分を16
0℃の温度で４時間の試験時間のブリスター試験に付す
と、錫層の剥離をもたらす気泡が生じる−−これはガス
が閉じ込められたことを意味する−−。
ケミカル・アブストラクト第98巻、（1983）、第547
頁、No.224260Wからも、Ni浸漬メッキが知られている。
この場合にも同様に酸性溶液で処理される。更にこの処
理は薄い浸漬メッキ層をもたらすのでなく、ドイツ特許
出願公開第1,533,214号明細書に従うNi−中間層に匹敵
する真のNi−層をもたらす。
それ故に本発明の課題は、他の金属中間層なしに軸受
層の上により良好に接合する機能的錫層を持つ軸受滑り
要素を提供することである。かゝる軸受滑り要素の製造
方法を提供することも本発明の課題である。
この課題は請求項１に従う軸受滑り要素にて解決され
る。方法の対象は請求項９である。
驚くべきことに、電気的に設けた錫層は、該錫層が亜
鉛、銅、ニッケルおよび鉄を含むアルカリ製浸漬析出層
の上に結合されている場合に、遙かに良好に接合するこ
とが判った。アルカリ浸漬メッキ析出物は遙かに良好に
錫層を接合せしめる穏やかな表面処理を実現する。４時
間の継続時間および160℃のブリスターテストを実施し
ても、ブリスターが決して生じないことが判った。錫層
の剥離は認めることができなかった。
アルカリベースの浸漬析出層はアルミニウムとの表面
反応を引き起こし、これによって表面が、錫層が軸受金
属層の上に適切に係留される様に変えられる。この目的
のためにはたぶん、錯塩結合したアニオンが浸漬溶液中
に存在しそして金属も錯塩結合しており、その際に塩が
ハロゲンを有していないことが重要である。
比較的に厚い中間層と相違して、浸漬析出層は１μｍ
未満、好ましくは0.3μｍ以下の厚さを有している。
機能的な錫層は１μｍ〜５μｍの厚さの腐食防止層と
して形成されているのが有利である。錫層は更に厚くて
もよく、５μｍ〜50μｍの厚さを持つ単層として形成さ
れていてもよい。
本発明者はアルミニウム合金中に含まれる成分に関し
て特定の限界値を順守した場合に軸受滑り要素が卓越し
た性質を示すことを見出した。軸受金属層が錫含有合金
より成る場合には、錫の割合は22.5％まででよい。更に
錫の割合が多い場合には、純粋の錫層と軸受金属層との
結合が悪い。
鉛含有アルミニウム合金を用いる場合には、鉛の割合
が20％までであるのが有利である。珪素含有アルミニウ
ム合金の場合には、珪素の割合は10％まで可能である。
本発明の方法は、軸受金属層を設けた予備成形済み軸
受滑り要素用素材を、軸受金属層の表面の脱脂処理、酸
洗い処理および洗浄の後に、シアン化物を主成分とする
亜鉛−、ニッケル−、銅−および鉄塩を含有する高アル
カリ製アルミニウム浸漬浴で浸漬処理し、その浸漬処理
の後に軸受滑り要素用素材を高度に炭酸不含の水で洗浄
しそして最初の錫メッキ段階において少なくとも20〜26
℃の浴温度、１〜３アンペアー/dm2の電流密度および少
なくとも１分のメッキ時間を用いる。
炭酸不含の脱イオン水を製造するためには、洗浄工程
の前にイオン交換器によって、炭酸が結合するのに適す
る樹脂で水を処理する。炭酸含有水は攻撃的過ぎ、浸漬
析出を妨害し得ること−−このことは電気的に設けた錫
層の時期尚早の剥離をもたらす−−が判っている。この
場合、さらに水が24〜26℃の温度を有する場合が有利で
ある。
浸漬浴のpH値は12〜14、好ましくは14である。
処理をアルミニウム浸漬浴中で室温のもとで−−なか
でも少なくとも20℃で−−、15秒〜60秒の期間にわたっ
て行うのが有利である。
10〜20g/Lの亜鉛、５〜10g/Lのニッケル、１〜2g/Lの
銅および少量の鉄を錯塩の状態で含有するアルミニウム
浸漬浴を用いるのが有利である。
浸漬析出処理のために、特定の電解質だけを電気メッ
キ法のために使用することができる。例えば弗化硼酸塩
浴は攻撃的過ぎ、浸漬層を崩壊することが判っている。
錫含有アルミニウム軸受合金に電気メッキ錫層を設ける
場合には、錫メッキ浴は好ましくは次の組成を有してい
る： 錫 18〜22 g/L 硫酸 180〜220g/L 湿潤剤 ８〜12 g/Lおよび 結晶粒微細化剤 18〜22 g/L この場合には純粋の錫陽極を使用する。この硫酸塩錫メ
ッキ法は純粋のアルミニウム軸受金属または珪素含有ア
ルミニウム軸受金属の場合にも使用できる。
鉛含有アルミニウム軸受合金を錫メッキする場合に
は、錫メッキ浴が好ましくは以下の組成を有している： 錫 15〜30 g/L メタンスルホン酸 120〜180g/L 湿潤剤 15〜25 g/Lおよび 結晶粒微細化剤（芳香族ケトン） ８〜12 g/L 軸受滑り要素用素材を多段階前処理に付し、該素材を
硫酸／酸化クロムの混酸浴中に何度も浸漬するのが特に
有利である。
例示的な実施形態を以下に図面によって更に詳細に説
明する。
図１は本発明の軸受滑り要素の断面図でありそして 図２は種々の滑り軸受の試験を比較する棒グラフであ
る。
図１は軸受滑り要素の断面図を示している。鋼鉄製素
材（１）の上に純アルミニウム、珪素含有−、鉛含有−
または錫含有アルミニウム合金より成る軸受金属層
（２）が設けてある。浸漬析出の原因となる表面反応
は、（３）で示した領域に特徴がある。表面処理が関係
するので、この浸漬析出部は、アルミニウム軸受合金
（２）の上に設けられる測定可能な層ではない。従って
浸漬析出部（３）と軸受金属層（２）との間に鮮明な境
界はない。こうして処理された軸受金属層（２）の上に
機能性の錫層として純粋な錫の層（４）が設けられる。
次いで方法の実施例によって錫含有アルミニウム軸受
合金の上への錫層の析出を説明する。
軸受ライナーを固定するために二重ラックを使用す
る。凹部の幅は70mmまでの軸受径の場合に30mmである。
このラックは潜在的バッフルを有しておらず且つログエ
（rogue）カソードを有していない。この方法は次の様
に進める： − 脱脂処理：自動脱脂装置で部材を二度脱脂する − 酸洗処理：硫酸、弗化水素酸および酸化亜鉛より成
る酸洗処理液で軸受ライナーを１分間、浸漬処理する − 洗浄処理： − 酸洗処理：硫酸および酸化亜鉛より成る酸洗処理液
で軸受ライナーを22秒間浸漬処理する − 洗浄処理：脱イオン水で22秒洗浄する − 酸浸漬処理：硫酸／酸化クロムより成る混酸に１分
間浸漬する − 洗浄処理： − 酸浸漬処理：硫酸／酸化クロムより成る混酸に22秒
間浸漬する − 洗浄処理： − アルミニウム浸漬液処理：二重ラックをアルミニウ
ム浸漬液中に22秒間浸漬する。薄い酸化物層が溶解され
そして同時にニッケル、亜鉛および銅より成る金属析出
物が生じる。
− 洗浄処理： − 硫酸錫メッキ：錫電解質は18〜22g/Lの錫、180〜22
0g/Lの硫酸、10g/Lの湿潤剤および20g/Lの結晶粒微細化
剤より成る。浴温度は20〜26℃である。軸受滑り要素を
２アンペアー/dm2の電流密度のもとで硫酸性錫浴中で２
分間の滞留時間のもとで錫メッキ処理する。
− 洗浄処理： − 乾燥処理。
全ての洗浄工程は温度調整された（24〜26℃）炭酸不
含水を用いて実施する。
この様にして製造した滑り軸受は電気メッキ以前にブ
ローチ削りを行い、次いでロッド連結テストスタンドで
試験する。試験条件を以下の表に総括掲載する： この一連の実験で、化学的に設けた錫フラッシュ（chem
ical tin flash）を持つ軸受滑り要素が6700回／分の実
験回転数に達する以前に既に100℃のオイルインレット
温度で剥離することが判る。これは5200回／分の試験回
転数にしか達しない（No.V）。
電気的な錫メッキおよびニッケル中間層を持つ滑り軸
受の場合には、ブローチ削りした軸受滑り要素（No.I
I）において既に100℃のオイルインレット温度にて50％
より多く剥離が生じる。
本発明の滑り軸受の場合には150℃のオイルインレッ
ト温度ですら剥離が認められない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミューラー・クラウス ドイツ連邦共和国、デー‐65207 ウイ ースバーデン、オーデンヴァルトブリッ ク、45 (56)参考文献 特開 昭51−151414（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−65390（ＪＰ，Ａ) 特公 平６−41789（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭25−2820（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭61−30035（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平５−13969（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C25D 5/30 C25D 3/30 C25D 5/10 C25D 5/44 C25D 7/00 C25D 7/10

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミニウムの軸受金属層または錫、鉛ま
    たは珪素を含有するアルミニウム合金より成る軸受金属
    層および、該軸受金属層の表面の浸漬析出層の上にだけ
    結合している、滑り面に隣接する側の、電気メッキで得
    た錫層より成る軸受滑り要素において、亜鉛、銅、ニッ
    ケルおよび鉄を含む、アルカリ性でハロゲン不含の非常
    に薄い浸漬析出層（３）を介して錫層（４）が軸受金属
    層（２）に結合されていることを特徴とする、上記軸受
    滑り要素。
  2. 【請求項２】軸受金属層（２）が22.5％までの錫成分を
    含む錫含有アルミニウム合金である請求項１の軸受滑り
    要素。
  3. 【請求項３】軸受金属層（２）が20％までの鉛成分を含
    む鉛含有アルミニウム合金である請求項１の軸受滑り要
    素。
  4. 【請求項４】軸受金属層（２）が10％までの珪素成分を
    含む珪素含有アルミニウム合金である請求項１の軸受滑
    り要素。
  5. 【請求項５】浸漬析出層が１μｍ未満の厚さを有する請
    求項１〜４のいずれか一つに記載の軸受滑り要素。
  6. 【請求項６】浸漬析出層が0.3μｍ以下の厚さを有する
    請求項５に記載の軸受滑り要素。
  7. 【請求項７】錫層（４）が１μｍ〜５μｍの厚さの腐食
    防止層として形成されている請求項１〜６のいずれか一
    つに記載の軸受滑り要素。
  8. 【請求項８】錫層（４）が５μｍ〜50μｍの厚さの単層
    として形成されている請求項１〜６のいずれか一つに記
    載の軸受滑り要素。
  9. 【請求項９】軸受金属層を設けた予備成形済み軸受滑り
    要素用素材を、軸受金属層の表面の脱脂処理、酸洗い処
    理および洗浄の後に、アルミニウム浸漬浴での処理およ
    び電気錫メッキ処理の相前後する組合せに付す、請求項
    １〜８のいずれか一つに記載の軸受滑り要素を製造する
    方法において、シアン化物を主成分とする亜鉛、ニッケ
    ル、銅および鉄の塩を含有するアルミニウム浸漬溶液を
    使用すること、その浸漬処理の後に軸受滑り要素用素材
    を主として炭酸不含の脱イオン水で洗浄することおよび 最初の錫メッキ段階において20〜26℃の浴温度、１〜３
    アンペアー/dm2の電流密度および少なくとも１分のメッ
    キ時間を用いることを特徴とする、上記方法。
  10. 【請求項１０】アルミニウム浸漬浴での処理を室温で15
    秒〜60秒の間、実施する請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】11〜20g/Lの亜鉛、５〜10g/Lのニッケ
    ル、１〜2g/Lの銅および少量の鉄を含有するアルミニウ
    ム浸漬溶液を使用し、その各成分がシアン化物を主成分
    とする錯塩の状態で結合している、請求項９または10に
    記載の方法。
  12. 【請求項１２】純粋のアルミニウム軸受層、錫含有アル
    ミニウム軸受合金または珪素含有アルミニウム軸受合金
    を処理する際に、少なくとも最初の錫メッキ段階に以下
    の組成の錫メッキ浴でメッキを行い： 錫 18〜22 g/L 硫酸 180〜220g/L 湿潤剤 ８〜12 g/Lおよび 結晶粒微細化剤 18〜22 g/L その際に純粋の錫陽極を使用する、請求項９〜11項の何
    れか一つに記載の方法。
  13. 【請求項１３】最初の錫メッキ段階において錫含有アル
    ミニウム軸受合金を処理する際に、錫メッキを以下の組
    成の錫メッキ浴で実施し： 錫 15〜30 g/L メタンスルホン酸 120〜180g/L 湿潤剤 15〜25 g/L 結晶粒微細化剤 ８〜12 g/L その際に純粋の錫陽極を使用する、請求項９〜11項の何
    れか一つに記載の方法。
  14. 【請求項１４】洗浄水が24〜26℃の温度を有している請
    求項９〜13のいずれか一つに記載の方法。
  15. 【請求項１５】軸受滑り要素素材を多段階前処理に付
    し、その際に硫酸／酸化クロムより成る混酸浴に浸漬す
    る請求項９〜14のいずれか一つに記載の方法。
  16. 【請求項１６】混酸浴での浸漬処理の後に炭酸不含水で
    洗浄する請求項15に記載の方法。
  17. 【請求項１７】浸漬浴のpH値が12〜14である請求項９〜
    16のいずれか一つに記載の方法。
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